광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 김상륜 화학과 교수팀이 한국에너지기술연구원(KIER)·이화여자대학교 연구팀과 공동으로 착수소화물을 활용해 '수계 아연 금속전지'의 전극 손상을 억제하고 수명을 높일 수 있는 새로운 전해질 설계 원리를 규명했다고 11일 밝혔다.
대규모 에너지저장장치(ESS) 중요성이 커지면서 안전성과 경제성을 갖춘 수계 아연 금속전지가 차세대 이차전지로 주목받고 있다. 수계 아연 금속전지는 휘발성과 독성이 있는 유기용매 대신 물을 기반으로 한 전해질을 사용해 안전성을 높이고 가격이 저렴하고 저장 용량이 큰 아연을 전극으로 활용한다는 장점이 있다.
하지만 충·방전을 반복하면 물과 아연이 반응하면서 수소가 발생하고 산화아연(ZnO) 등 부산물이 생성된다. 아연이 전극 표면에 불균일하게 쌓이면서 전극이 점차 손상돼 장기간 안정적으로 사용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 수계 아연 금속전지의 전해질에 착수소화물을 첨가하고 충·방전 과정에서 아연 금속 표면과 전해질에서 일어나는 변화를 분석했다. 이번 연구에 사용한 착수소화물(Zn(B₁₂H₁₂))은 물에 녹으면 아연 이온(Zn₂+)과 착음이온([B₁₂H₁₂]₂-)으로 나뉜다. 착음이온은 물이나 주변 이온과 약하게 상호작용해 기존 전해질의 구조와 이온전도도, 점도 등 주요 특성을 거의 변화시키지 않았다.
반면 충·방전이 시작되면 착음이온은 아연 전극 표면에서 반응하며 수소화물 기반 보호층(계면층)을 형성했다. 즉 전해질 자체는 그대로 유지하면서도 충·방전이 일어나는 아연 표면에만 보호층(계면층)이 형성되는 것이다. 보호층은 물과 아연의 직접적인 반응을 줄여 전극 손상을 일으키는 수소 발생 반응*과 아연 산화를 억제하고, 아연이 전극 표면에 보다 균일하게 쌓이도록 했다.
연구팀은 X선 광전자 분광법(XPS)과 비행시간 이차이온 질량분석법(ToF-SIMS)을 이용해 이러한 '수소화물 기반 계면층'의 형성과 분포를 확인한 결과 착수소화물에서 유래한 붕소-수소(B-H) 결합이 첫 번째 충·방전 과정부터 아연 표면에서 확인했으며, 100회 충·방전 이후에도 유지됐다. 이는 착수소화물에서 유래한 수소화물 기반 계면층이 안정적으로 형성됐음을 보여준다.
표면 성분의 분포를 분석하는 ToF-SIMS 분석에서도 수소화물 유래 성분이 아연 표면에 집중적으로 분포하는 것을 확인해 수소화물 기반 계면층의 형성을 뒷받침했다.
실제 실험에서도 착수소화물을 첨가한 전해질은 수소 발생과 불균일한 아연 성장을 억제했으며, 아연 전극의 안정성을 평가하는 대칭전지 실험에서도 최대 3000시간 동안 안정적으로 작동했다. 아연-산화바나듐 배터리에서도 5000회 충·방전 후 초기 용량의 96.55%를 유지하고, 99.8%의 쿨롱 효율을 기록했다. 같은 조건의 기존 전해질 전지는 초기 용량의 46.40%만 유지했다.
김상륜 교수는 “이번 연구는 수계 전해질에서 착수소화물 기반 계면 형성 메커니즘을 규명함으로써 기존 착수소화물 연구를 수계 전기화학 분야로 확장하고, 차세대 수계 금속전지용 전해질 설계의 새로운 연구 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
